关键词： 铁道车辆   车轮廓形   数据平滑方法   轮轨接触   动力学仿真   动力学性能  

摘要： 随着我国轨道交通的快速发展，解决工程问题时车辆动力学的应用越来越广泛，实测轮轨廓形被大量用于动力学仿真。实测廓形数据都具有测量误差，甚至局部错误畸变点，对这些廓形进行前处理以满足Hertz接触条件，尽可能提高车辆动力学仿真精度和效率，是车辆动力学仿真的重要问题。研究轮轨型面实测数据处理方法的大部分文献只以提高廓形表面光滑度为目标，很少考虑算法对轮轨接触，尤其是对车辆动力学性能的影响。本文采用几种数据平滑方法和曲率计算方法对车轮廓形实测原始数据进行处理，结合准弹性修正轮轨接触点位置和曲率，建立车辆非线性动力学模型并开展了数值仿真，对比分析了轮轨廓形数据处理方法对轮轨接触几何参数、接触斑形状、蠕滑力和车辆动力学性能的影响。本文的具体工作和结论如下：　　（1）对比分析了几种数据平滑方法对轮轨廓形实测数据处理的效果，包括廓形的平滑程度、等效锥度等接触几何参数、接触点曲率和接触斑长短轴半径等。　　（2）在轮轨接触点位置一定区域内取三个点构成三角形，假设三角形外接圆曲率等于中间点的曲率，通过滑移窗和端部延拓得到整个廓形上的曲率。该方法计算的曲率变化平缓，能反映实际廓形的曲率分布情况，显著减少不满足Hertz接触条件的轮轨接触点对，比曲率公式的计算效果有明显改善。　　（3）准弹性接触点修正只能使接触点位置分布更加均匀，从而使接触几何参数曲线也更加平滑，不能对轮轨廓形及曲率进行修正;准弹性曲率平滑方法能够滤除曲率较大的峰谷值点，对曲率波动不大的情况平滑效果理想。两种准弹性修正对表面具有较大凹凸不平顺的原始实测踏面曲率修正效果均不佳。　　（4）动力学仿真结果表明，车轮廓形光滑度对轮重减载率影响较大，最大能达到50%以上，而不同平滑方法对其余动力学指标的影响一般在10%以内;轮轨廓形平滑方法对高速列车蛇行运动稳定性影响也比较显著，相差约40%~60%。　　（5）采用标准踏面傅里叶低通滤波法对实测车轮廓形平滑处理，采用三角形外接圆曲率算法计算廓形曲率，对FASTSIM和CONTACT计算的轮轨接触斑形状和蠕滑力，结果表明：踏面曲率算法对FASTSIM计算结果影响很大，廓形平滑对CONTACT计算结果影响较大;以CONTACT计算结果为基准，FASTSIM对蠕滑力的计算误差一般在20%以内，这还包括车轮廓形处理带来的误差。

关键词： 轮轨摩擦   应力   应变   摩擦热   直接耦合  

摘要： 近年来,伴随我国经济的不断发展,铁路系统也发展迅速。各种促进铁路系统加速发展的政策也相继出台,铁路系统不断向高速化、重载化发展。此前,Hertz接触理论在轮轨接触研究领域被广泛应用,但因其本身的局限性,在揭示轮轨接触真实状态方面表现较差。大型模拟仿真软件的开发利用,很好解决了这一问题。通过利用模拟仿真软件可以较为真实的反映轮轨接触状态的变化,为高速铁路的科学研究提供重要参考。鉴于高速铁路无横移时轮轨的接触特点,利用ABAQUS模拟仿真软件建立热-结构直接耦合的三维轮轨接触模型。轮轨接触模拟主要依据动态-结构—温度直接耦合动力学理论,利用ABAQUS的Explicit求解模块模拟仿真轮轨接触,对轮轨接触斑温度、应力和应变数值进行求解,并对其相关关系进行分析研究,得出如下结论:（1）列车正常运行不同时刻时,在相同的轴重、摩擦系数和对流换热系数下,在轮轨摩擦热和轮对机械载荷的热-结构耦合作用下,轮轨应力和应变都随轮轨接触斑摩擦温度上升先下降后上升。综上可得列车正常工作条件下,轮轨在热-结构耦合作用下,应力和应变与轮轨接触斑摩擦热先呈负相关关系,后呈正相关关系。（2）轮轨间摩擦系数不同时,在相同的轴重和对流换热系数下,列车正常运行时,在轮轨摩擦热和轮对机械载荷的热-结构耦合作用下,钢轨应力随轮轨接触斑摩擦温度上升而上升,应变先下降后上升;车轮应力、应变都随轮轨接触斑摩擦温度上升而上升,上升幅度基本一致。综上可得列车正常工作条件下,在热-结构耦合作用下,钢轨应力与轮轨接触斑摩擦热为正相关关系,应变与轮轨接触斑摩擦热先呈负相关关系后呈正相关关系;车轮应力、应变与轮轨接触斑摩擦热为正相关关系。（3）轮轨与空气间对流换热系数不同时,在相同的轴重和摩擦系数下,列车正常运行时,在轮轨摩擦热和轮对机械载荷的热-结构耦合作用下,钢轨应力随轮轨接触斑摩擦温度上升而上升,应变随轮轨接触斑摩擦温度上升而下降;车轮应力和应变都随轮轨接触斑摩擦温度上升而上升。综上可得列车正常工作条件下,在热-结构耦合作用下,钢轨应力与轮轨接触斑摩擦热为正相关关系,应变与轮轨接触斑摩擦热为负相关关系;车轮应力和应变与轮轨接触斑摩擦热为正相关关系。

关键词： 高速铁路   显示有限元方法   焊接接头   平直度   钢轨断缝   台阶值   断缝限值  

摘要： 随着中国高速铁路的不断发展,目前中国高速铁路最高速度已提升至350km/h,同时随着新时代的到来,国家需要和社会的需求对高速铁路的速度要求不断提高,目前已把时速400公里级高速铁路关键技术的研究纳入下一步规划当中。但在如此复杂、高频的铁路运营中,由于轮轨接触产生的问题层出不穷,例如由轮轨冲击造成的轨面损伤和轨道系统的零部件损坏、高速铁路带来的噪声问题以及高速铁路的高标准和高要求带来的高养护维修成本。并且伴随着高速铁路速度的不断提升,轮轨动态的作用关系加剧,一定程度的增加了轮轨间的伤损。通过日渐成熟的焊接技术将标准轨连接起来的无缝线路在一定程度上解决了高速线路在运营速度和周中上的限制。但一些劣质焊接接头对车辆运营带来了新的问题,车辆通过劣质焊接接头时伴随着高额的轮轨冲击力,会造成钢轨伤损、甚至断裂。其次钢轨内部在冬春季节会产生较大的温度拉应力,在钢轨焊接接头处难以保持较好的强度和稳定性,劣质焊接接头在高温度应力的情况下甚至可能会发生钢轨断裂,直接影响无缝线路的行车安全。因此,研究分析更高速度的运营线路的钢轨焊接接头与断缝问题对行车安全和无缝线路养护维修具有重大意义。本文基于显示有限元方法并采用标准LMA车轮踏面与CHN60钢轨型面建立了三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型。在第2章详细阐述了瞬态模型的建模方法与轮轨滚动模拟过程,同时模拟准稳态滚动接触状态并与CONTACT算法进行了有效验证,并展示了准稳态滚动接触状态的轮轨接触求解结果。第3章在第2章建立的三维瞬态滚动有限元模型基础上,在钢轨上引入了理想焊缝不平顺激励以模拟钢轨焊接接头处瞬态冲击行为。计算了时速400km工况下,不同波长、波深下凸型焊缝与凹形焊缝所激起的轮轨动态响应。并提出了时速400km高速运营线路的凸型焊缝、凹型焊缝平直度限值,为铁路工务部门的养护维修工作提供参考。同时建立了时速400km工况下凸型焊缝与凹形焊缝在不同波深下轮轨最大动态力与几何梯度拟合曲线,通过实测焊缝的验证,该曲线能有效预测钢轨焊接接头处轮轨动态力,便于工程应用。为模拟钢轨断缝处轮轨瞬态冲击行为,第4章基于显示有限元法建立了考虑钢轨断缝的三维轮轨瞬态滚动有限元模型,详细分析了车轮的跨缝形式,并选择断缝宽度10mm与断缝宽度70mm作为典型工况分析展示了车轮跨缝时的动态响应。同时参数化计算了通过速度、断缝宽度、断缝位置、扣件刚度对车轮跨缝时动态力与台阶值的影响,分析不同条件对车轮跨缝所激起的动态响应的影响程度。并基于断缝位置处于最不利工况进行了限值研究,从车轮跨缝形式与车轮跨缝垂向冲击力的两个角度分别提出了相应的限值,对无缝线路设计的断缝允许值与钢轨断裂后的紧急降速措施提供参考。

关键词： 更高速度   瞬态滚动接触   短波激励   切向滚滑   轮轨接触脱离  

摘要： 中国高速铁路即将迈入时速400公里时代,如此高的速度,在世界范围内并无现成经验可以借鉴,其背后蕴含着巨大机遇和挑战。现役高铁的运行实践表明,在服役过程中,轮轨接触表面可能会出现各种短波激励,恶化轮轨滚动接触行为,显著降低轮轨运行品质,甚至威胁列车安全。考虑到短波激励在更高速铁路上可能依旧高发,有必要对短波激励下更高速轮轨间瞬态滚动接触行为开展深入研究,为设计更高速铁路奠定坚实的理论基础。鉴于此,本文开展短波激励下更高速轮轨间瞬态滚动接触行为研究,为更高速轮轨短波激励管理策略提供有意义的参考。该研究主要涉及轮轨滚动接触理论、轮轨短波不平顺和轨面低黏着等方面的研究,故首先就相关研究开展文献综述,指出更高速下面临的问题与挑战,提出分析短波激励下更高速轮轨间瞬态滚动接触行为的必要性。鉴于此最终研究目标,本文建立了可求解更高速下轮轨滚动接触行为的时域数值模型,具体包括动车组车辆系统动力学模型和曲线段全轮对三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,其中,动力学模型为瞬态滚动接触模型提供轮对横移量、侧滚角和摇头角的关键运行参数。上述模型可引入高速铁路中常见的短时低黏着和短波不平顺这两类短波激励,涉及的短时低黏着和短波不平顺具体参数,取自现役高速轮轨的现场跟踪测试结果。在分析短波激励对更高速轮轨瞬态滚动接触行为的影响之前,先研究了无短波激励（平顺几何和正常黏着）下的准稳态轮轨滚动接触行为,揭示了速度（350～500 km/h）、牵引系数（0.05～0.3）和黏着系数（0.15～0.45）等对轮轨接触应力、黏滑特征和磨耗等的影响。结果表明,该模型可实现更高速下的轮轨准稳态滚动。因为是准稳态工况,所以速度对轮轨接触解的影响几乎可以忽略,牵引系数和黏着系数的影响与传统稳态滚动接触理论的预测相同,如随牵引系数升高,接触斑内滑移区逐渐增大,磨耗逐渐升高;随着黏着系数降低,滑移区逐渐增大,磨耗也逐渐升高。以曲线段单侧钢轨存在短时低黏着为例,研究了低黏着区长度（0.2～1.0 m）以及发生轨侧、速度（350～500 km/h）、牵引系数（0.05～0.3）和黏着系数（0.027～0.45）等因素对更高速轮轨间瞬态滚动接触行为的影响机制。结果表明:典型参数下,单侧低黏着不会导致整个轮对发生大蠕滑空转或打滑,即正常黏着侧可以平衡低黏着侧的蠕滑力不足问题。仅高轨发生低黏着时,1)低黏着会导致另一侧发生不均匀磨耗,且在低黏着区大于等于0.6 m时,正常黏着侧的不均匀磨耗更严重;2)低黏着区长于0.6 m时,两侧不均匀磨耗严重程度均基本不变;3)速度增大,因低黏着所致轮轨力峰值和蠕滑率峰值有所降低,两轮不均匀磨耗程度略有减轻。低轨低黏着的结果类似,但现象更轻微,因此,现场中更需关注高轨的黏着状态。当然,倘若正常黏着侧的黏着水平降低至一定程度,不足以满足整个轮对蠕滑力需求时,则会发生整个轮对的低黏着现象,继而发生轮对大蠕滑现象,例如,对于牵引系数为0.1的工况,考虑到动力减载效应,正常黏着侧的黏着系数低于0.25时,则易发生轮对空转或打滑。以曲线段存在两侧不对称波磨为例,研究了波磨的发生轨侧、两侧波磨的相位差等因素对更高速轮轨间瞬态滚动接触行为的影响机制。结果表明:1)波磨激励的高频振动可在轮轨系统内传递,导致两侧均产生高频响应,但二者的波动幅度和相位存在不可忽略的差异;2)当两侧波磨所致响应在一侧轮轨间同相位叠加时,可增强轮轨间动力作用;3)基于最恶劣的响应同相位叠加工况,提出了不同速度（350～500 km/h）、波长（30～210 mm）、轴重（10～15 t）下及考虑低频动力减载（法向力减载30%）后,轮轨接触脱离时的临界波深列表。

关键词： 有限元-边界元   刚柔耦合动力学模型   轮轨垂向力   声辐射   轮轨粗糙度  

摘要： 随着高速动车组运营里程的增加以及运行速度的提高,轮轨磨耗带来的振动与噪声越发严重,因此,亟需开展高速铁路轮轨噪声机理研究,构建轮轨噪声理论计算模型,为高速铁路轮轨噪声预测、评价及控制优化奠定坚实的基础。本文利用多体动力学理论建立了高速动车组拖车的多体动力学模型,进而利用轮轨的有限元-边界元模型,深入研究了轮轨的声振特性。同时根据实测的轮轨粗糙度谱,预测了轮轨的滚动噪声,为高速铁路轮轨噪声理论模型的构建以及轮轨噪声控制奠定基础。具体的研究内容及成果如下:(1)分别建立了CRH380B动车组拖车单侧车轮和Ⅰ型板式无砟轨道的有限元-边界元模型,利用有限元法分析了车轮以及轨道的模态和导纳特性,利用直接边界元法分析了车轮和钢轨的声辐射特性,包括表面声压、声辐射效率、声功率和声指向性。并探讨了车轮和钢轨各部位对声辐射的贡献量,为控制噪声关键部位提供了建议。(2)建立了CRH380B动车组拖车的刚柔耦合动力学模型,包括柔性轮对、柔性轨道。并将刚柔耦合动力学模型与多刚体模型进行了对比,说明了该模型的优越性。最后利用实测数据对模型进行了验证,证明了模型的可靠性,可进行轮轨耦合动力学分析。(3)建立了轮轨滚动噪声预测模型,并利用实测数据进行了可靠性验证。利用振噪预测模型分析了车轮和钢轨存在典型谐波磨耗下的振动与噪声时频特性。结果表明:轮轨垂向力频谱和声功率均能反映谐波磨耗带来的主频,利用瞬态有限元-边界元法能够还原列车经过的过程,为轮轨噪声的预测提供了思路。(4)利用车-轨刚柔耦合动力学模型分析了钢轨波磨波长、幅值、列车运行速度以及轴重对轮轨振动特性的影响。研究结果表明:垂向力和钢轨垂向加速度对于波长小于31.623cm,幅值大于2.512μm的钢轨波磨敏感性较为明显;速度越大,垂向力和钢轨垂向振动加速度越大,列车轴重对钢轨垂向振动加速度影响较小,与轮轨垂向力呈正相关。(5)依托第四章建立的车轮和轨道的有限元-边界元模型,分析了钢轨波磨波长、幅值、列车运行速度、轴重对轮轨声辐射的影响。分析结果表明:车轮声功率对波长处于(7.943cm,79.433cm)范围内的钢轨波磨敏感性较大,钢轨声功率对波长处于(7.943cm,31.623cm)范围内的钢轨波磨较为敏感;钢轨声功率对幅值大于3.981μm的钢轨波磨较为敏感,轴重对轮轨声功率影响较小,为从声源上控制噪声提供了思路。图130幅,表16个,参考文献76篇。

关键词： 地铁   钢轨波磨   现场测试   轮轨动力特性   安全阈值  

摘要： 随着城市轨道交通快速发展,钢轨波磨问题引起广泛关注。钢轨波磨在地铁线路频繁发生,危害巨大,加剧轮轨系统振动噪声,缩短车辆及轨道部件的使用寿命,影响乘车舒适性,甚至危及行车安全。钢轨波磨与轮轨系统动力特性关系密切,是轮轨系统尚未完全解决的难点和热点问题。本文在综合分析国内外钢轨波磨及轮轨动力学研究现状的基础上,通过现场测试与数值分析相结合的方法,开展了地铁钢轨波磨地段轮轨动力特性研究,针对波磨的预防和治理提出了钢轨波磨安全阈值和轨道线路参数优化建议。本文主要研究工作及成果如下:(1)现场测试了普通整体道床轨道结构典型波磨地段的轨面不平顺,总结了现有钢轨波磨评价指标,测试结果表明:波磨主要发生在小半径曲线地段圆曲线内轨,特征波长主要为200～250mm,其次是40mm,最大波深达到0.8mm,已经超出现有钢轨波磨评价标准限值;直线地段出现短波钢轨波磨,程度相对曲线地段较为轻微,主波长为40mm,最大波深约0.1mm。(2)现场测试了小半径曲线钢轨波磨地段的轨道、隧道结构的振动特性和振动传递规律,测试结果表明:钢轨波磨激励导致轨道及隧道结构振动较大,振动主频与波磨通过频率一致,其中短波钢轨波磨所激励的400Hz高频振动更为剧烈;振动的传递由钢轨到道床再到隧道壁逐步衰减,大地对高频振动能量的衰减作用使得80Hz左右的振动频率将成为振动向地面传递的主要频率。(3)基于车辆-轨道耦合动力学理论,利用多体系统动力学方法和有限元法,建立了考虑柔性轨道的车辆-轨道系统耦合动力学模型。轮轨系统钢轨波磨激励通过现场测试得到,或通过位移输入函数模拟波磨以控制波长、波深特征变量。将模型计算结果与既有文献、测试结果对比,验证了本文所建模型的正确性和准确性。(4)利用建立的车辆-轨道耦合系统动力学模型,分析了不同钢轨波磨对轮轨系统动力特性的影响,提出了指导波磨钢轨打磨的波深安全阈值。研究表明:钢轨波磨激励下轮轨系统动力响应剧烈,其中轮轨垂向力呈周期性波动,波动周期与波长相同且不受波深影响,周期内1/4波长处轮轨冲击振动达到峰值。钢轨波磨对轮轨系统动力响应的影响随着波长减小、波深增大而加剧,短波波磨激励轮轨高频振动,行车安全性指标更容易超限。现有规程中指导钢轨打磨的波磨安全阈值适用于长波波磨,对于波长为30、40、50、60mm的短波波磨,车辆运营速度为80km/h情况下,波深安全阈值建议分别取0.08、0.11、0.12、0.21mm。(5)针对小半径曲线地段钢轨波磨问题,分析了曲线半径、行车速度、轮轨摩擦系数等参数对轮轨动力特性及钢轨波磨的影响。研究表明:过小的曲线半径是钢轨波磨频发的主要原因;小半径曲线地段列车实际运营速度可以略大于设计速度,使曲线处于适当的欠超高状态,此时既能控制轮轨磨耗和钢轨波磨,又能保证行车安全性、平稳性;摩擦系数增大,轮轨间磨耗加剧,钢轨波磨更容易发生,摩擦系数过小,也将加剧轮轨磨耗,影响列车牵引与制动性能,建议轮轨间保持适当的润滑状态。(6)针对减振器扣件轨道直线地段钢轨波磨问题,分析扣件垂向刚度、阻尼对轮轨动力特性及钢轨波磨的影响。研究表明:扣件刚度主要影响轨道结构的减振性能;扣件阻尼主要影响轨道系统振动能量的衰减,与钢轨波磨息息相关。为控制钢轨波磨,同时保证减振效果,建议减振器扣件保持较小的刚度,尽量选取更大的阻尼。

关键词： 电力机车   非圆化磨耗   异常振动   耦合动力学   动态响应  

摘要： 对频繁发生振动报警问题和运营正常的某型号电力机车分别进行车轮非圆化磨耗测试,对比分析运营正常和发生异常振动报警车轮的非圆化磨耗特征。测试结果表明:运营正常的机车车轮非圆化磨耗形式主要以低阶为主,而频繁发生振动报警的机车车轮非圆化磨耗除低阶磨耗外,还存在明显的16~25阶非圆化磨耗,这是造成机车异常振动的根本原因。建立机车车辆-有砟轨道耦合动力学模型,研究车轮非圆化磨耗对轮轨动态相互作用的影响,系统地调查分析轮轨动态相互作用随车轮非圆化磨耗特征的变化规律。结果表明:严重的车轮非圆化磨耗会加剧轮轨动态冲击作用,轮轨系统动力学响应随非圆化磨耗幅值的增大而增大,但随非圆化磨耗阶次的增长而呈非线性变化趋势。

关键词： 车辆-轨道耦合动力学   钢轨扣件   弹条   扣压力   失效  

摘要： 为深入探讨钢轨扣件弹条扣压力对轮轨系统垂向动力学响应的影响,在经典车辆-轨道垂向耦合动力学模型的基础上细化了扣件的建模,建立了能够考虑钢轨扣件弹条扣压力和轨下胶垫初始压缩量的垂向动力学模型。针对轨下胶垫和弹条的实际受力情况,模型中采用具有单向作用特性的力元来模拟轨下胶垫和弹条的受力特性。通过数值仿真,将该模型与传统模型进行了对比,并分析了弹条扣压力衰减和扣压力失效对轮轨系统垂向动力学响应的影响。分析结果表明,弹条扣压力衰减主要导致胶垫支反力减小,而扣压力失效则会导致失效扣件处的钢轨垂向加速度显著增大。对于连续多个扣件发生扣压力失效的情况,钢轨垂向加速度、钢轨上拱位移和轮对垂向加速度等动力学指标随失效扣件个数的增加而增大,而失效扣件个数的增加对轮轨垂向力、轮载作用下的钢轨垂向位移和胶垫支反力的变化影响很小。